王 榮,姜 云,范云飛,康智慧,王海華,高錦岳

(吉林大學(xué) 物理學(xué)院,吉林 長春 130023)

1 引 言

原子相干效應(yīng)是光與物質(zhì)相互作用的產(chǎn)物,其實(shí)質(zhì)是利用相干光場使原子的不同能級(jí)之間發(fā)生關(guān)聯(lián),從而在原子的多通道躍遷中發(fā)生量子干涉。近 20年來,原子相干效應(yīng)一直是量子光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。原子相干效應(yīng)已經(jīng)導(dǎo)致了一系列重要的物理現(xiàn)象,例如相干粒子數(shù)捕獲[1,2],電磁感應(yīng)光透明[3～5],無反轉(zhuǎn)光放大[6～9],增強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)[10]等等。特別地,研究者已經(jīng)利用原子相干效應(yīng)成功地實(shí)現(xiàn)了光速減慢和光信息的相干存儲(chǔ)[11～13],克服了光難以控制和定位的缺陷,有助于對(duì)光波上的編碼信息進(jìn)行直接的操控和處理。最近,利用電磁感應(yīng)光透明,研究者又成功地實(shí)現(xiàn)了壓縮態(tài)光場和糾纏光子對(duì)的速度減慢和相干存儲(chǔ)[14～16],量子光場的相干操控在量子網(wǎng)絡(luò)、量子計(jì)算機(jī)和量子信息處理中有著重要的意義,將帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域研究的迅猛發(fā)展。

目前多數(shù)原子相干效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究都集中在原子氣體里,為了將這一技術(shù)在實(shí)際中有所應(yīng)用,在固體材料里進(jìn)行相關(guān)的研究具有更大的應(yīng)用價(jià)值。固體材料明顯的優(yōu)點(diǎn)是良好的緊密性、高原子密度、無原子運(yùn)動(dòng)。然而,多數(shù)的固體材料中存在著眾多復(fù)雜的退相干機(jī)制,它們嚴(yán)重阻礙了原子相干效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測。同時(shí),一般的固體材料都有大的光學(xué)非均勻加寬,這也增加了原子相干實(shí)驗(yàn)的難度。因此,需要選擇合適的固體材料進(jìn)行原子相干效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。鑒于固體材料中原子相干效應(yīng)的的重要性,國際上幾個(gè)研究小組已經(jīng)在紅寶石、NV色心、Pr3+∶Y2SiO5(Pr∶YSO)晶體和半導(dǎo)體量子阱等固體材料中開展了電磁感應(yīng)光透明的研究工作[17～20]。其中 Pr∶YSO晶體中的原子相干效應(yīng)的研究工作開展的最為廣泛,這是因?yàn)?Pr∶YSO晶體具有窄的光譜線寬、長的退相干時(shí)間和高的振子強(qiáng)度,可作為原子相干效應(yīng)研究的優(yōu)良實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。

本文具體介紹了近年來固體材料中原子相干效應(yīng)研究的進(jìn)展[19,21～25],同時(shí)討論了該項(xiàng)研究在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。固體材料中原子相干效應(yīng)的開展必將加快其在量子信息、全光網(wǎng)絡(luò)和非線性光學(xué)等領(lǐng)域中的實(shí)用化進(jìn)程。

2 電磁感應(yīng)光透明

電磁感應(yīng)光透明(EIT)是一種基本的原子相干效應(yīng),常用三能級(jí)Λ型原子系統(tǒng)來研究 EIT現(xiàn)象。EIT是利用一個(gè)強(qiáng)耦合光將探測場作用躍遷的一個(gè)能級(jí)與第三個(gè)輔助能級(jí)耦合起來,從而對(duì)探測場產(chǎn)生兩個(gè)受激吸收通道,這兩個(gè)躍遷通道之間的量子干涉效應(yīng)導(dǎo)致了探測場在雙光子共振處的極窄的透明并伴隨強(qiáng)烈的反常色散。大量的理論和實(shí)驗(yàn)都已證明,EIT可以增強(qiáng)非線性系數(shù),提高混頻效率,實(shí)現(xiàn)慢光和光存儲(chǔ)等[10～13,26],進(jìn)而在精密光譜、非線性光學(xué)、量子信息等諸多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。美國學(xué)者 Harris首先提出了電磁感應(yīng)光透明的概念,并于 1991年以鍶為介質(zhì)利用強(qiáng)激光脈沖首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到 EIT現(xiàn)象[4]。1995年,Xiao Min采用消多普勒的方法,用低功率的半導(dǎo)體激光器在銣蒸汽中也成功地實(shí)現(xiàn)了 EIT[27]。近年來,隨著對(duì) EIT現(xiàn)象研究的不斷深入,研究的對(duì)象由原子蒸汽介質(zhì)擴(kuò)展到了固體介質(zhì)。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來講,固體材料更利于集成化和器件化,更具實(shí)際的價(jià)值,所以固體中的EIT對(duì)人們有著很大的吸引力。

圖1 Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖[19]Fig.1 Energy level in solid Pr∶YSO[19]

1997年,Ham首先在 Pr∶YSO晶體中實(shí)驗(yàn)研究了電磁感應(yīng)光透明現(xiàn)象[19]。Pr∶YSO晶體的尺寸是 3 mm ×6 mm×9 mm,其中 Pr離子的摻雜濃度為 0.05%。如圖1所示,選用的光學(xué)躍遷是3H4?1D2,對(duì)應(yīng)的躍遷波長是 605.7 nm。激光源是相干公司的 699環(huán)形染料激光器。通過聲光調(diào)制器分束和移頻光源,從而產(chǎn)生需要的各個(gè)光場。探測場ωp與躍遷3H4(±3/2)?1D2(±1/2)共振,耦合場 ωc與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±1/2)共振,重新泵浦場 ωr與躍遷3H4(±5/2)?1D2(±3/2)共振。重新泵浦場的作用是在能級(jí)3H4(±1/2)和3H4(±3/2)上泵浦粒子,防止光譜燒孔效應(yīng)的發(fā)生。耦合場和探測場作用的能級(jí)形成三能級(jí)Λ型模型的 EIT系統(tǒng)。這 3個(gè)激光場只作用了一小部分 Pr離子,由于永久性的光譜燒孔效應(yīng),激光器的線寬決定了這個(gè)系統(tǒng)的有效光學(xué)非均勻加寬。因此,原子相干可以在比較低的光功率下建立。他們?cè)隈詈蠄龅膹?qiáng)度分別為 9、28、90以及 280 W/cm2,探測場強(qiáng)度為9 W/cm2,重新泵浦場強(qiáng)度為 16 W/cm2的情況下觀察了 EIT現(xiàn)象。由于強(qiáng)耦合場的作用,探測場中心頻率處的吸收減弱,透過率增加。如圖2所示,當(dāng)耦合場的強(qiáng)度分別為 28、90以及280 W/cm2時(shí),在探測場的零失諧處,觀察到探測場的透過率分別是 14%、36%和 65%。耦合場越強(qiáng),探測場的透過率就越高。接著他們又在溫度為 5.5 K,耦合場強(qiáng)度分別為 90、280和900 W/cm2情況下觀察了 EIT現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)當(dāng)耦合場的強(qiáng)度為 900 W/cm2時(shí),探測場的透過率幾乎達(dá)到 100%,從而得到了比較理想的 EIT現(xiàn)象。當(dāng)溫度升高的時(shí)候,由于聲子作用,自旋和光躍遷的失相率將增大,會(huì)導(dǎo)致 EIT現(xiàn)象減弱。

圖2 Pr∶YSO晶體中的電磁感應(yīng)光透明現(xiàn)象[19]Fig.2 EIT in solid Pr∶YSO[19]

除了 Pr∶YSO晶體,研究者們還在其它的固體材料中觀察到了 EIT現(xiàn)象。1997年,Zhao等人在紅寶石中利用微波場作為相干場研究了 EIT現(xiàn)象,他們分別在V模型和梯模型系統(tǒng)中觀察到了EIT[17]。1999年,Wei等人在 NV色心中研究了射頻波段的 EIT[18]。2003年,Phillips等人在GaAs量子阱中也成功實(shí)現(xiàn)了 EIT[20]。

3 光速減慢和光存儲(chǔ)

光是信息的優(yōu)良載體,它具有傳播速度快和通訊波段寬的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)光也具有難于定位和不易操控的缺點(diǎn)。在現(xiàn)代光學(xué)中,對(duì)光的相干控制已經(jīng)變得越來越重要。最近,利用 EIT的光脈沖速度減慢和可逆存儲(chǔ)已經(jīng)被理論上設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)上演示[11～13]。這種相干控制是基于光和介質(zhì)之間的量子態(tài)轉(zhuǎn)換。通過調(diào)制耦合光的強(qiáng)度,即可以控制 EIT窗口的寬度和介質(zhì)的色散,從而方便地改變探測光脈沖的群速度。絕熱地將耦合光強(qiáng)度減小為零,可使探測光群速度降低為零并以自旋相干的形式存儲(chǔ)于介質(zhì)中。一段時(shí)間之后,再絕熱地恢復(fù)耦合光強(qiáng)度,可將原子自旋相干轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。1999年,Hau等人利用 EIT技術(shù)在超冷鈉原子中使光脈沖的群速度降至 17 m/s[26]。2001年,Liu等人在超冷的鈉原子中通過對(duì)相干光場的時(shí)間調(diào)制實(shí)現(xiàn)了光脈沖的存儲(chǔ)和釋放[15];同年,Phillips等人在銣原子蒸汽中觀察到了相似的光存儲(chǔ)和釋放[16]。

2002年,Turukhin等人首次研究了 Pr∶YSO晶體中基于 EIT的光速減慢與可逆存儲(chǔ)[21]。選用的晶體長度是 3 mm,Pr離子的摻雜濃度是0.05%。Pr離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖3所示。ωp、ωc和ωr分別為探測場、耦合場和重新泵浦場。探測場ωp與躍遷3H4(±3/2)?1D2(±3/2)共振;耦合場ωc與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±3/2)共振;重新泵浦場ωr與躍遷3H4(±5/2)?1D2(±5/2)共振。耦合場和探測場作用的能級(jí)形成三能級(jí)Λ型的 EIT系統(tǒng)。

圖3 Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖[21]Fig.3 Energy level in solid Pr∶YSO[21]

圖4 EIT導(dǎo)致的光脈沖群速度減慢Fig.4 Reduction of group velocity of light pulse induced by EIT

通過開啟 10 ms時(shí)間長度的耦合場和重新泵浦場,粒子數(shù)被制備到探測場對(duì)應(yīng)的下能級(jí)3H4(±3/2)能級(jí)上。再經(jīng)過 1 ms的間隔,開啟耦合場和探測場進(jìn)入晶體。由于 EIT窗口中心伴隨著陡峭的反常色散,探測脈沖進(jìn)入 EIT介質(zhì)后,其群速度會(huì)被減慢。圖4顯示了探測脈沖在不同失諧情況下的群速度減慢。圖中虛線對(duì)應(yīng)著不經(jīng)過晶體的探測脈沖的信號(hào),實(shí)線對(duì)應(yīng)著經(jīng)過 EIT晶體探測脈沖信號(hào)。探測脈沖的延遲時(shí)間對(duì)雙光子失諧是非常敏感的,不同的失諧對(duì)應(yīng)著不同的探測脈沖延遲。通過測量輸入脈沖中心和慢光的中心,在共振頻率處得到了 100μs的最大時(shí)間延遲。慢光曲線前半部分的信號(hào)是快光成分,它是由于探測光與晶體沒有完全作用導(dǎo)致的,它在晶體內(nèi)以快光的速度傳播。在慢光的基礎(chǔ)上,通過控制耦合場的開啟和關(guān)斷,研究者們又研究了光脈沖的存儲(chǔ)和釋放。實(shí)驗(yàn)中輸入探測脈沖的周期是 50μs,耦合場、探測場和重新泵浦場的強(qiáng)度分別是 77、11和 60 W/cm2。當(dāng)探測脈沖以慢光的形式在晶體內(nèi)部傳輸時(shí),絕熱地關(guān)斷耦合場,探測光脈沖就會(huì)存入介質(zhì)內(nèi)部,轉(zhuǎn)化為基態(tài)能級(jí)之間的自旋相干。隨后開啟耦合場,原子自旋相干又轉(zhuǎn)化為光脈沖,實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)信息的釋放。

在光存儲(chǔ)期間通過施加反退位相脈沖,上述實(shí)驗(yàn)的存儲(chǔ)時(shí)間達(dá)到了 300μs。2005年,Longdell等人在 Pr∶YSO晶體中報(bào)道了更長存儲(chǔ)時(shí)間的光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)[28]。他們通過動(dòng)力學(xué)退相干控制技術(shù) (DDC)來抑制 Pr離子基態(tài)能級(jí)之間的退相干,增強(qiáng)了光信號(hào)在晶體內(nèi)部的存儲(chǔ)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)觀測到的最大存儲(chǔ)時(shí)間接近 10 s,這是目前報(bào)道的最長的 EIT光存儲(chǔ)時(shí)間。另外,在 Pr∶YSO晶體中的相似的基于 EIT的光脈沖存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究也有了報(bào)道[29～31]。

4 存儲(chǔ)光信息的可控制擦除

在光信息處理中,信息的存儲(chǔ)和擦除是兩個(gè)同等重要的操作。目前多數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究都集中在光存儲(chǔ)的研究上,例如,利用反退位相脈沖和動(dòng)力學(xué)退相干控制技術(shù),研究者在 Pr∶YSO晶體中得到了長的存儲(chǔ)時(shí)間[21,28]。但是,關(guān)于存儲(chǔ)光信息擦除的研究工作幾乎沒有報(bào)道。在一些時(shí)間應(yīng)用中,信息的擦除也是非常重要的。例如,介質(zhì)記錄了一個(gè)錯(cuò)誤或者沒有用的信息,人們就需要快速地擦除存儲(chǔ)的信息,才能進(jìn)行下一步的操作,這就需要發(fā)展一種快速和可控制的擦除信息方法。

通過擦除脈沖破壞原子相干,Wang等人實(shí)驗(yàn)研究了 Pr∶YSO晶體中存儲(chǔ)光信息的可控制性擦除[22]。圖5顯示了 Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖。相關(guān)的光學(xué)躍遷是3H4→1D2,兩能級(jí)之間的躍遷波長是 605.977 nm。ωp、ωc、ωe和ωr分別為探測場、相干場、擦除場和重新泵浦場。探測場ωp與躍遷3H4(±3/2)?1D2(±3/2)共振;相干場ωc與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±3/2)共振;擦除場ωe與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±1/2)共振;重新泵浦場ωr與躍遷3H4(±5/2)?1D2(±5/2)共振。

圖5 Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖[22]Fig.5 Energy level in solid Pr∶YSO[22]

圖6 存儲(chǔ)光信息擦除的實(shí)驗(yàn)演示Fig.6 Exper imental demonstration of eraser of stored light information

圖6 演示了減慢的探光測脈沖的存儲(chǔ)和擦除過程。當(dāng)大部分的慢光脈沖在晶體內(nèi)部傳播時(shí),絕熱地關(guān)斷相干場,探測光脈沖就會(huì)被存儲(chǔ)到晶體中。Peak-1是在相干場關(guān)斷以前就已經(jīng)離開晶體的探測脈沖部分,這部分光脈沖沒有經(jīng)歷存儲(chǔ)操作,通過晶體以后直接被探測器接受。Peak-2是經(jīng)歷了相干場的關(guān)斷與開啟被存儲(chǔ)和隨后釋放的探測脈沖部分。Peak-1和 Peak-2之間的間隔是 10μs的存儲(chǔ)時(shí)間。存儲(chǔ)的過程中,當(dāng)關(guān)斷相干場的時(shí)候,會(huì)有原子相干在晶體內(nèi)部產(chǎn)生。正是這個(gè)產(chǎn)生的原子相干存儲(chǔ)了探測脈沖的幅度和位相信息。在 10μs的存儲(chǔ)時(shí)間內(nèi),一個(gè)擦除光脈沖施加到晶體上,作用于3H4(±1/2)?1D2(±1/2)躍遷。由于擦除脈沖的作用,產(chǎn)生的原子自旋相干會(huì)被部分破壞,這直接導(dǎo)致了存儲(chǔ)信息的擦除。圖6(b)演示了存儲(chǔ)光信息的擦除。由于擦除操作,存儲(chǔ) 10μs后釋放的探測光脈沖能量明顯減少。因此,通過施加擦除脈沖破壞存儲(chǔ)的原子相干,可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)光信息的可控制性擦除。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)擦除效率取決于擦除脈沖的能量,與存儲(chǔ)時(shí)間無光。獲得的最大擦除效率是85%。

利用擦除光脈沖破壞原子相干,從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)光信息的可控制擦除,是一種光信息的全光操作手段,該項(xiàng)研究工作豐富和發(fā)展了光脈沖相干控制的技術(shù)和方法,加深了人們對(duì)光脈沖在相干介質(zhì)中傳播的動(dòng)力學(xué)過程的認(rèn)識(shí),在信息處理和全光網(wǎng)絡(luò)中有著重要的應(yīng)用。

5 基于光存儲(chǔ)的全光路由

全光路由在未來的量子信息和全光網(wǎng)絡(luò)中是非常重要的,它可以避免光電和電光轉(zhuǎn)換,克服電子瓶頸的限制,從而保證大容量信息的有效轉(zhuǎn)換和傳輸。光信息的路由和波長分配有著很多實(shí)際的應(yīng)用,例如,它可用于不同波長通訊線之間的連接,在不同光波長之間實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換和分配。目前的研究表明,利用原子相干效應(yīng)對(duì)光脈沖的相干調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)光信息在不同波長之間轉(zhuǎn)換與分配的新型全光路由。

在 Pr∶YSO晶體中,Wang等人實(shí)驗(yàn)研究了基于光存儲(chǔ)的新型全光路由[23]。圖 7顯示了Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖。相關(guān)的光學(xué)躍遷是3H4?1D2,對(duì)應(yīng)的躍遷波長是 605.977 nm。ωp1、ωc1、ωc2和ωr分別為探測場、控制場 -1、控制場 -2和重新泵浦場。探測場ωp1與躍遷3H4(±3/2)?1D2(±3/2)共振,相干場 ωc1與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±3/2)共振,相干場 ωc2與躍遷3H4(±1/2)?1D2(±1/2)共振,重新泵浦場ωr與躍遷3H4(±5/2)?1D2(±5/2)共振。

圖8 基于光存儲(chǔ)的全光路由實(shí)驗(yàn)演示Fig.8 Experiments of all-optical router based on stored light

在 EIT條件下,由于控制場的作用,探測光脈沖的群速度被減慢,圖8(a)顯示了 37μs的時(shí)間延遲。在獲得慢光的情況下,通過關(guān)斷和開啟控制場-1,可實(shí)現(xiàn)光信息的存儲(chǔ)和釋放。圖8(b)顯示了典型的 EIT光存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)。Peak-1是在控制場關(guān)斷以前就離開了晶體的探測場部分,這部分光沒有經(jīng)過存儲(chǔ)操作。Peak-2是被存儲(chǔ)和隨后釋放的探測場部分。兩個(gè)峰之間的間隔是 10μs的存儲(chǔ)時(shí)間。由于在釋放過程中只有一個(gè)控制場ωc1開啟,存儲(chǔ)的信息以通道ωp1釋放,在通道ωp2上沒有觀察到光信號(hào)。圖8(c)顯示了基于光存儲(chǔ)的全光路由。在釋放的過程中兩個(gè)控制場同時(shí)開啟,存儲(chǔ)的光信息被分配進(jìn)入兩個(gè)不同的光通道(ωp1和ωp2),從而實(shí)現(xiàn)了新型的全光路由。對(duì)比起始的光信號(hào),釋放的ωp1,ωp2具有新的傳播方向和頻率。兩個(gè)釋放控制場的同時(shí)開啟確保了兩個(gè)光通道上信號(hào)的同時(shí)傳輸。

2004年,利用雙光子相干轉(zhuǎn)換,Ham在Pr∶YSO晶體中通過四波混頻過程實(shí)驗(yàn)上研究了全光的量子路由[32]。2008年,利用 EIT導(dǎo)致的慢光效應(yīng),Ham又基于 Pr∶YSO晶體實(shí)驗(yàn)報(bào)道了時(shí)間延遲的全光路由[33],這些全光路由的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)量子信息和全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著重要的意義。

圖7 Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖[23]Fig.7 Energy level in solid Pr∶YSO[23]

6 雙光脈沖的速度減慢和可逆存儲(chǔ)

基于原子相干的光速減慢和信息存儲(chǔ)在量子信息領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的 EIT三能級(jí)只包含一個(gè)黑態(tài)極子,只能實(shí)現(xiàn)單通道光信息的相干控制。一個(gè)量子比特包含兩個(gè)基本態(tài),無法在三能級(jí)Λ系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)其操控。因此,如何在單個(gè)原子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多通道光子信息的相干控制成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。目前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn),在四能級(jí) Tripod模型系統(tǒng)中包含雙黑態(tài)極子,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)光通道的群速度減慢和可逆存儲(chǔ)等相干控制[34,35]。利用在堿金屬蒸汽的 Tripod模型系統(tǒng),也在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了雙 EIT窗口和加強(qiáng)的非線性光學(xué)作用[36～38]。

利用 Pr∶YSO晶體中的 Tripod系統(tǒng),Wang等人實(shí)驗(yàn)研究雙光脈沖的速度減慢和可逆存儲(chǔ)[24]。

圖9 Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖Fig.9 Energy level in solid Pr∶YSO

圖9 顯示了 Pr∶YSO晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)。Pr離子的摻雜濃度是 0.05%,相關(guān)的光學(xué)躍遷是3H4?1D2。Ωs1、Ωs2、Ωc分別為信號(hào)場 1、信號(hào)場 2和控制場。Pr離子有 3個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí),相應(yīng)的光學(xué)躍遷是非均勻加寬的,因此晶體中有 3種離子具有 Tripod系統(tǒng)。1D2(±3/2)、1D2(±5/2)和1D2(±1/2)分別是 3種 Pr離子的激發(fā)態(tài) |e〉。

圖10 雙光脈沖的群速度減慢Fig.10 Reducation of group velocity of double light pulses

為了在基態(tài)上制備粒子,控制場首先開啟12 ms。由于光泵浦效應(yīng),粒子被制備到基態(tài)3H4(±3/2)和3H4(±5/2)能級(jí)上。圖10顯示了雙光脈沖的速度減慢,虛線對(duì)應(yīng)著輸入的兩個(gè)信號(hào)脈沖,兩個(gè)信號(hào)脈沖通過聲光調(diào)制器同時(shí)產(chǎn)生。在慢光的演示中,控制場比信號(hào)場先開啟 10μs。由于 Tripod系統(tǒng)中的雙黑態(tài)極子,兩個(gè)信號(hào)脈沖的群速度被減慢,都經(jīng)歷了大的時(shí)間延遲。在Tripod系統(tǒng)中,一個(gè)信號(hào)脈沖的群速度可以通過調(diào)節(jié)另一個(gè)信號(hào)場的強(qiáng)度來控制。通過仔細(xì)調(diào)節(jié)兩個(gè)信號(hào)場的強(qiáng)度,兩個(gè)信號(hào)脈沖獲得了基本相等的群速度。兩個(gè)信號(hào)經(jīng)歷的時(shí)間延遲是18μs,對(duì)應(yīng)的群速度vg≈167 m/s。因此,利用 Tripod系統(tǒng),在晶體內(nèi)部獲得了具有近似匹配群速度的雙光脈沖。

圖11 雙光脈沖的可逆存儲(chǔ)Fig.11 Stored light of double light pulses

根據(jù)光存儲(chǔ)的黑態(tài)極子理論,當(dāng)減慢的信號(hào)脈沖在晶體內(nèi)部傳播時(shí),通過關(guān)斷和開啟控制場可實(shí)現(xiàn)雙光脈沖的存儲(chǔ)和釋放。當(dāng)控制場關(guān)斷以后,兩個(gè)信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)換為基態(tài)的自旋激發(fā) (自旋相干),信號(hào)場的相干光學(xué)信息存儲(chǔ)于其中。當(dāng)控制場重新開啟以后,自旋相干轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)光場,釋放的光信號(hào)以減慢的群速度在晶體內(nèi)部繼續(xù)傳播。圖11顯示了在 Tripod系統(tǒng)的晶體中雙光脈沖的同時(shí)存儲(chǔ)和釋放。Peak-1是控制場關(guān)斷以前就離開了晶體的信號(hào)場部分,這部分信號(hào)光沒有經(jīng)歷存儲(chǔ)操作。Peak-2是經(jīng)歷存儲(chǔ)和隨后釋放的信號(hào)光部分。Peak-1和 Peak-2之間的間隔是 10μs的存儲(chǔ)時(shí)間。釋放的 Peak-2保持了慢光的后半部分線型,減小的強(qiáng)度是由于自旋相干的失相。匹配群速度的雙光脈沖可以用來增強(qiáng)弱光脈沖之間的非線性作用時(shí)間,從而產(chǎn)生大的交叉相位調(diào)制。雙光脈沖速度減慢與相干存儲(chǔ)使實(shí)現(xiàn)光量子比特的相干操控成為可能,這些研究工作將在量子信息和量子通訊中有實(shí)際的應(yīng)用。

7 基于原子相干的增強(qiáng)四波混頻

原子相干導(dǎo)致的增強(qiáng)四波混頻過程是最近的研究熱點(diǎn)。研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)利用 EIT可增強(qiáng)非線性光學(xué)過程,并已經(jīng)成功地在實(shí)驗(yàn)中觀測到基于EIT的增強(qiáng)四波混頻[39～41]。增強(qiáng)的非線性光學(xué)過程的關(guān)鍵是通過原子相干獲得大的非線性極化率。如果相干驅(qū)動(dòng)的介質(zhì)被制備到最大原子相干的狀態(tài),人們可獲得最大的非線性極化率[42]。最近,基于最大原子相干的非線性過程已經(jīng)引起了研究者的廣泛關(guān)注[43～46]。

圖12 Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖Fig.12 Energy level in solid Pr∶YSO

利用相干粒子數(shù)回歸 (CPR)和部分受激拉曼絕熱過程 (F-STIRAP)制備最大原子相干,Wang等人在 Pr∶YSO晶體中實(shí)驗(yàn)研究了增強(qiáng)的四波混頻[25]。圖12顯示了 Pr∶YSO晶體的能級(jí)圖。Ωp、Ω1、Ω2和Ωr分別為探測場、泵浦場、斯托克斯場合重新泵浦場。通過施加泵浦場和重新泵浦場,粒子數(shù)首先被制備到能級(jí) |1〉上。對(duì)于 CPR和 FSTIRAP,都是用泵浦場和斯托克斯場在基態(tài)能級(jí)之間制備原子相干。對(duì)于 CPR,泵浦場是連續(xù)的,斯托克斯場是高斯脈沖形的 Ω2=Ω20exp[-(t-t0)2/(W/2)2]。當(dāng)泵浦場和斯托克斯場作用時(shí),起始在能級(jí) |1〉上的粒子被轉(zhuǎn)移到能級(jí) |2〉上,作用之后又回到能級(jí) |1〉。當(dāng)能級(jí) |1〉和|2〉上的粒子數(shù)相等時(shí),就建立了瞬時(shí)的最大原子相干。對(duì)于 F-STI RAP,泵浦場和斯托克斯場都是脈沖的,兩者有相同的時(shí)間后沿。當(dāng)他們同時(shí)關(guān)斷的時(shí)候,最大原子相干在晶體內(nèi)部產(chǎn)生。對(duì) CPR和 F-STIRAP,原子相干時(shí)間演化為ρ12=cosθ(t)sinθ(t),角 度 θ(t)由 tanθ(t)=Ω1(t)/Ω2(t)決定,因此原子相干由時(shí)間演化的拉比頻率決定。通過弱的探測場散射原子相干,可以產(chǎn)生一個(gè)有效的四波混頻信號(hào)。時(shí)間演化的原子相干決定了四波混頻信號(hào)的強(qiáng)度和線形。

圖13顯示了在不同的斯托克斯場強(qiáng)度下基于 CPR的增強(qiáng)四波混頻信號(hào)。當(dāng)斯托克斯場強(qiáng)度等于泵浦場強(qiáng)度時(shí),四波混頻信號(hào)呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu),如圖13(a)所示。在這種情況下,當(dāng)斯托克斯脈沖達(dá)到峰值時(shí),能級(jí) |1〉和 |2〉上有相等的粒子數(shù)分布,此時(shí)瞬態(tài)的最大原子相干建立,原子相干呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)也呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu)。當(dāng)Ω20＜Ω1時(shí),瞬態(tài)最大原子相干可在兩個(gè)不同的Ω20(t)=Ω1時(shí)刻建立。因此原子相干的時(shí)間演化呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)也呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),如圖13(b)所示。當(dāng)Ω20＜Ω1時(shí),能級(jí) |1〉上的粒子數(shù)總是多于能級(jí) |2〉,得不到最大原子相干,原子相干總是單峰結(jié)構(gòu),并且強(qiáng)度比較弱。因而產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)比較弱,且呈現(xiàn)單峰結(jié)構(gòu),如圖13(c)所示。圖13(d)是理論曲線,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖13 基于 CPR的增強(qiáng)四波混頻Fig.13 Enhanced four-wave mixing based on CPR

圖14 顯示了基于 F-STIRAP的增強(qiáng)四波混頻。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),首先還是把粒子數(shù)制備到能級(jí) |1〉上。圖14(a)反映了實(shí)驗(yàn)中光場的脈沖序列情況。當(dāng)泵浦場和斯托克斯場同時(shí)關(guān)斷的時(shí)候,最大原子相干在晶體內(nèi)部建立。建立的原子相干由于基態(tài)能級(jí)的退位相而慢慢減弱。通過一個(gè)弱探測脈沖散射原子相干,可產(chǎn)生有效的四波混頻信號(hào)。圖14(b)顯示了四波混頻信號(hào)的強(qiáng)度隨探測脈沖時(shí)間延遲的變化。最強(qiáng)的四波混頻信號(hào)出現(xiàn)在泵浦場和斯托克斯場同時(shí)關(guān)斷的時(shí)候,隨后強(qiáng)度慢慢變?nèi)?與理論分析基本一致。

圖14 基于 F-STIRAP的增強(qiáng)四波混頻Fig.14 Enhanced four-wave mixing based on F-STI RAP

時(shí)間演化的四波混頻信號(hào)有效地反映了原子相干的動(dòng)力學(xué)過程,因而通過研究增強(qiáng)四波混頻信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體內(nèi)部原子相干動(dòng)力學(xué)過程的監(jiān)測,該實(shí)驗(yàn)研究將在非線性光學(xué)和激光光譜中有重要的應(yīng)用。

8 結(jié)束語

原子相干效應(yīng)導(dǎo)致了一系列重要的物理現(xiàn)象,它們?cè)诹孔有畔⒑腿饩W(wǎng)絡(luò)中有著廣泛地應(yīng)用。目前主要的研究工作在原子氣體里開展,為了實(shí)際應(yīng)用,固體介質(zhì)應(yīng)該是首選的材料。通過選擇恰當(dāng)?shù)墓ぷ鞑牧虾秃线m的實(shí)驗(yàn)條件,研究者已經(jīng)開展了固體材料中原子相干效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究工作。

本文介紹了固體材料中原子相干效應(yīng)研究的最新進(jìn)展。固體材料中電磁感應(yīng)光透明的研究工作,把原子相干效應(yīng)的工作介質(zhì)由原子氣體轉(zhuǎn)向了固體材料,為電磁感應(yīng)光透明及相關(guān)效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。光速減慢和信息存儲(chǔ)的研究工作,發(fā)展了光脈沖在固體材料中傳播的動(dòng)力學(xué)特性,有利于光脈沖相干控制的實(shí)際應(yīng)用。存儲(chǔ)光信息可控制擦除的研究工作,豐富和發(fā)展了光信息相干控制方法和手段,在光信息處理中有實(shí)際的應(yīng)用?；诠獯鎯?chǔ)的全光路由的研究工作,發(fā)展了一種光信息在不同波長之間轉(zhuǎn)換與分配的新型全光路由,在全光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。雙光脈沖速度減慢和相干存儲(chǔ)的研究工作,使實(shí)現(xiàn)光量子比特的相干控制成為可能,在量子信息和量子通訊領(lǐng)域有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值?；谠酉喔傻脑鰪?qiáng)四波混頻的研究工作,探討了相干驅(qū)動(dòng)固體介質(zhì)中光學(xué)非線性系數(shù)增強(qiáng)的物理過程,在激光光譜和非線性光學(xué)中有實(shí)際的應(yīng)用。

鑒于固體材料中的原子相干效應(yīng)的應(yīng)用前景,探索固體材料中的各種原子相干效應(yīng)的基本現(xiàn)象和物理規(guī)律是當(dāng)代物理學(xué)家們的努力方向。固體材料中原子相干效應(yīng)的深入研究將在不同的光學(xué)領(lǐng)域引發(fā)深刻的變革,并將推動(dòng)和加快其在相應(yīng)領(lǐng)域中的實(shí)用化進(jìn)程。

[1] ALZETTA G,GOZZ IN IA,MO IL,et al..An experimentalmethod for the observation of r.f.transitions and laser beat resonances in oriented sodium vapor[J].Nuovo C imento B,1976,36(11):5-20.

[2] GRAY H R,WH ITLEY RM,STROUD C R Jr,Coherent trapping of atomic populations[J].Opt.Lett.,1978,3(6):218-220.

[3] FLEISCHHAUER M, IMAMOGLU A,MARANGOS J P.Electromagnetically induced transparency:optics in coherent media[J].Rev.M od.Phys.,2005,77(2):633-673.

[4] BOLLER K J, IMAMO GˇLU A,HARR IS S E.Observation of electromagnetically induced transparency[J].Phys.Rev.Lett.,1991,66(20):2593-2596.

[5] FIELD J E,HAHN K H,HARR IS S E.Observation of electromagnetically induced transparency in collisionally broadened lead vapor[J].Phys.Rev.Lett.,1991,67(22):3062-3065.

[6] HARR IS S E.Lasers without inversion:interference of lifetime-broadened resonances[J].Phys.Rev.Lett.,1989,62(9):1033-1036.

[7] SCULLYM O,ZHU S Y,GRAVR IEL IDESA.Degenerate quantum-beat laser:lasingwithout inversion and inversion without lasing[J].Phys,Rev.Lett.,1989,62(24):2813-2816.

[8] GAO J Y,GUO C,GUO X Z,et al..Observation of light amplification without population inversion in sodium[J].Opt.Commun.,1992,93(5-6):323-327.

[9] Z IBROV A S,LUK IN M D,N IKONOV D E,et al..Experimental demonstration of laser oscillation without population inversion via quantum interference in Rb[J].Phys.Rev.Lett.,1995,75(8):1499-1452.

[10] HARR IS S E,FIELDM J E, IMAMOGLU A.Nonlinear optical processes using electromagnetically induced transparency[J].Phys.Rev.Lett.,64(10):1107-1110.

[11] FLEISCHHAUER M,LUK IN M D.Dark-state polaritons in electromagnetically induced transparency[J].Phys.Rev.Lett.,2000,84(22):5094-5097.

[12] L IU C,DUTTON Z,BEHROOZIC H,et al..Observation of coherent optical infor mation storage in an atomic medium using halted light pulses[J].Nature,2001,409(6819):490-483.

[13] PH ILL IPSD F,FLEISCHHAUER A,MA IR A,et al..Storage of light in atomic vapaor[J].Phys.Rev.Lett.,2001,86(5):783-786.

[14] APPEL J,FIGUEROA E,KORYSTOV D,et al..Quantum memory for squeezed light.[J].Phys Rev.Lett.,2008,100(9):093602.

[15] HONDA K,AKAMATSU D,AR IKAWA M,et al..Storage and retrieval of a squeezed vacuum[J].Phys.Rev.Lett.,2008,100(9):093601.

[16] CHO I K S,DENG H,LAURAT J,et al..Mapping photonic entanglement into and out a quantum memory[J].Nature,2008,452(7183):67-71.

[17] ZHAO Y,WU C K,HAM B S,et al..Microwave induced transparency in ruby[J].Phys.Rev.Lett.,1997,79(4):641-644

[18] WEIC J,MANSON N B.Observation of electromagnetically induced transparencywithin an electron spin resonance transition[J].J.Opt.B,1999,1(4):464-468.

[19] HAM B S,HEMMER P R,SHAHR IAR M S.Efficient electromagnetically induced transparency in a rare-earth doped crystal[J].Opt.Commun.,1997,144(1997):227-230.

[20] PH ILL IPSM C,WANG H L,RUMYANTSEV I,et al..Electromagnetically induced transparency in semiconductors via biexciton coherence[J].Phys.Rev.Lett.,2003,91(18):183602.

[21] TURUKH IN A V,SUDARSHANAM V S,SHAHR IAR M S,et al..Observation of ultraslow and stored light pulses in a solid[J].Phys.Rev.Lett.,2002,88(2):023602.

[22] WANG H H,KANG Z H,J IANG Y,et al..Erasure of stored optical infor mation in a Pr3+∶Y2SiO5crystal[J].Appl.Phys.Lett.,2008,92(1):011105.

[23] WANG H H,L IA J,DU D M,et al..All-optical routing by light storage in a Pr3+∶Y2SiO5crystal[J].Appl.Phys.Lett.,2008,93(22):221112.

[24] WANG H H,FAN Y F,WANG R,et al..Slowing and storage of double light pulses in a Pr3+∶Y2SiO5crystal[J].Opt.Lett.,2009,34(17):2596-259.

[25] WANG H H,DU D M,FAN Y F,et al..Enhanced four-wave mixing by atomic coherence in a Pr3+∶Y2SiO5crystal[J].Appl.Phys.Lett.,2008,93(23):231107.

[26] HAU L V,HARR IS S E,DUTTON Z,et al..Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas[J].Nature,1999,397(6720):594-598.

[27] X IAO M,L I YQ,J IN S Z,et al..Measurementof dispersive propertiesof electromagnetically induced transparency in rubidium atoms[J].Phys.Rev.Lett.,1995,74(5):666-669.

[28] LONGDELL J J,FRAVAL E,SELLARSM J,et al..Stopped lightwith storage times greater than one second using electromagnetically induced transparency in a solid[J].Phys.Rev.Lett.,2005,95(6):063601.

[29] WANG H H,WEIX G,WANGL,et al..Optical information transfer be tween two light channels in Pr3+∶Y2S iO5crystal[J].Opt.Express,2007,15(24):16044-16050.

[30] TU Y F,ZHANG G Q,ZHA I Z H,et al..Angular multiplexing storage of light pulses and addressable optical buffer memory in a Pr3+∶Y2SiO5based on electromagnetically induced transparency[J].Phys.Rev.A,2009,80(3):033816.

[31] BE IL F,KLE IN J,N IKOGHOSYAN G,et al..Electromagnetically induced transparency and retrieval of light pulses in a Λ-type and a Ⅴ-type level scheme in Pr3+∶Y2S iO5[J].J.Phys.B:A t.M ol.Opt.Phys.,2008,41(7):074001.

[32] HAM B S.Experimental demonstration of all-optical 1＊2 quantum routing[J].Appl.Phys.Lett.,2004,85(6):893-895.

[33] HAM B S.Observation of delayed all-optical routing in a slow-light regime[J].Phys.Rev.A,2008,78(1):011808(R).

[34] KARPA L,VEW INGER F,WEITZM.Resonance beating of light stored using atomic spinor polaritons[J].Phys.Rev.Lett.,2008,101(17):170406.

[35] MACRAE A,CAMPBELL G,LVOVSKYA I.Matched slow pulses using double electromagnetically induced transparency[J].Opt.Lett.,2008,33(22):2659-2661.

[36] L I S J,YANG X D,CAO XM,et al..Two EITwindows and an enhanced EIT signal in a four-level tripod atomic system[J].J.Phys.B,2007,40(16):3211-3219.

[37] HAN Y X,X IAO J T,L IU Y H,et al..Interacting dark stateswith enhanced nonlinearity in an ideal four-level tripod atomic system[J].Phys.Rev.A,2008,77(2):023824.

[38] L I S J,YANG X D,CAO XM,et al..Enhanced cross-phase modulation based on a double EIT in a four-level tripod atomic system[J].Phys.Rev.Lett.,2008,101(7):073602.

[39] L I Y,X IAO M.Coherent transient amplification in inhomogeneously broadened rubidium atoms by diode-laser frequency switching[J].Opt.Lett.,1996,21(13):982-984.

[40] ZHANG Y P,KHADKA U,ANDERSON B,et al..Controlling four-wave and six-wave mixing processes in multilevel atomic systems[J].Appl.Phys.Lett.,2007,91(22):221108

[41] ZHANG Y P,BROWN A W,X IAO M.Opening four-wave mixing and six-wave mixing channels via dual electromagnetically induced transparencywindows[J].Phys.Rev.Lett.,2007,99(12):123603.

[42] OBERSTM,KLE IN J,HALFMANN T.Enhanced four-wave mixing in mercury isotopes,prepared by Stark-chirped rapid adiabatic passage[J].Opt.Commun.,2006,264(2):463-470.

[43] CONDE A P,BRANDTL,HALFMANN T.Trace isotope detection enhanced by coherent el imination of power broadening[J].Phys.Rev.Lett.,2006,97(24):243004.

[44] OBERSTM,VEW INGER F,LVOVSKYA I.T ime-resolved probing of the ground state coherence in rubidium[J].Opt.Lett.,2007,32(12):1755-1757.

[45] V ITANOV N V,HALFMANN T,SHORE B W,et al..Laser-induced population transfer by adiabatic passage techniques[J].Annu.Rev.Phys.Chem.,2001,52:763-809.

[46] KLE IN J,BE IL F,HALFMANN T.Robust population transfer by stimulated Raman adiabatic passage in a Pr3+∶Y2SiO5crystal[J].Phys.Rev.Lett.,2007,99(11):113003.